劉恩凱，馬占云，王忠旭，馬中利，楊中偉

(山東核電設(shè)備制造有限公司， 海陽(yáng) 265118)

使用相控陣檢測(cè)技術(shù)代替射線檢測(cè)核電設(shè)備鋼制安全殼對(duì)接焊縫的可行性

劉恩凱，馬占云，王忠旭，馬中利，楊中偉

(山東核電設(shè)備制造有限公司， 海陽(yáng) 265118)

核電設(shè)備鋼制安全殼作為核反應(yīng)堆放射性防護(hù)的三道屏障之一，對(duì)核電的安全性起到至關(guān)重要的作用。鋼制安全殼對(duì)接焊縫的無損檢測(cè)按照ASME要求需進(jìn)行100%的射線檢測(cè)，但是射線檢測(cè)存在一定的漏檢率，尤其是對(duì)面積型缺陷(裂紋、未熔合)的檢出率較低，并且隨著板厚的增加，射線檢測(cè)的漏檢率也不斷增加。對(duì)相控陣技術(shù)進(jìn)行分析，通過在一定數(shù)量的自然缺陷試塊上采用相控陣和射線檢測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)比分析得出結(jié)論:相控陣檢測(cè)技術(shù)在鋼制安全殼對(duì)接焊縫檢測(cè)中具有可行性，可作為一種可靠、高效、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)手段應(yīng)用于焊縫的質(zhì)量檢測(cè)。

鋼制安全殼；射線檢測(cè)；相控陣檢測(cè)

三代核電設(shè)備AP1000鋼制安全殼，由256塊SA738Gr.B鋼板拼焊而成，最終形成直徑為40 m的超大型壓力容器，其包裹著核反應(yīng)堆內(nèi)部所有的設(shè)備，對(duì)核電運(yùn)行期間的安全性起著至關(guān)重要的作用，是AP1000非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)(見圖1)的主要部件之一。筆者進(jìn)行了鋼制安全殼對(duì)接焊縫內(nèi)部缺陷超聲相控陣檢測(cè)的可行性研究，探討了缺陷定位、定量、定性的方法;并比較了相控陣與射線檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)結(jié)果之間的能力差異。

圖 1 AP1000非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖2 焊縫坡口示意

1 模擬試塊制作

依據(jù)ASME Ⅲ-NE 《MC級(jí)部件》 和V卷 《無損檢測(cè)》 (2015版)中關(guān)于鋼制安全殼產(chǎn)品對(duì)接焊縫檢測(cè)及驗(yàn)收的相關(guān)要求，制作的焊接試板材料與鋼制安全殼一致(材料為SA738Gr.B)，厚度為50 mm。焊縫坡口示意如圖2所示。共設(shè)計(jì)制作8塊含自然缺陷的焊接試板，缺陷主要包括裂紋、未熔合、裂紋、氣孔、夾渣。

焊接試板中的缺陷分布詳見表1。

表 1 焊接試板缺陷分布

2 射線及相控陣檢測(cè)工藝

2.1 射線檢測(cè)設(shè)備及參數(shù)

射線檢測(cè)采用比利時(shí)SITE 3605固定式X射線機(jī)，有效焦點(diǎn)尺寸2.5 mmX2.5 mm，采用管電壓340 kV，透照時(shí)間2 min，焦距650 mm，鉛增感屏厚度前后0.1 mm，管電流5 mA的透照曝光參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。底片經(jīng)處理后黑度范圍在2.53.5(標(biāo)準(zhǔn)要求1.84.0)，可見像質(zhì)計(jì)絲徑為11號(hào)絲(標(biāo)準(zhǔn)要求可見11號(hào)絲徑)。黑度及像質(zhì)計(jì)靈敏度滿足ASME Ⅲ-NE和V分卷相關(guān)要求。

2.2 相控陣檢測(cè)設(shè)備及參數(shù)

相控陣檢測(cè)采用以色列ISONIC2009相控陣儀器，匹配頻率為5MHz的32晶片的線陣探頭。相控陣檢測(cè)參數(shù)為：①相控陣探頭參數(shù)：晶片數(shù)量為32，一次激發(fā)16個(gè)晶片(924)，頻率為5 MHz，相鄰晶片中心間距為0.5 mm，晶片寬度為0.4 mm,相鄰晶片間的間距為0.1 mm;② 檢測(cè)靈敏度參數(shù)：基準(zhǔn)靈敏度為3 mm直徑的橫通孔。楔塊角度36°，可產(chǎn)生的扇形掃查范圍36°75°;③ 采用不同深度φ3 mm橫孔制作DAC曲線，一二次波分開設(shè)置基準(zhǔn)靈敏度，同時(shí)以成像掃查的方式進(jìn)行檢測(cè)，焊接試板上采用手動(dòng)加編碼器的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;④ 聲束角度步進(jìn)為1°，編碼器步進(jìn)分辨1 mm;⑤ 相控陣采用的靈敏度試塊是在ASME基礎(chǔ)上進(jìn)行改造的，滿足一、二次波靈敏度分開設(shè)置要求;⑥ 采用ISONIC 2009設(shè)備自帶的焊縫仿真軟件，設(shè)置一次波主要檢測(cè)焊縫上半部分，二次波檢測(cè)焊縫下半部分，檢測(cè)工藝如圖3所示。

圖3 一、二次波靈敏度分開設(shè)置同時(shí)掃查工藝

3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析一般包括對(duì)缺陷的檢出率、信噪比、長(zhǎng)度的定量、深度的定量等數(shù)據(jù)的分析。筆者通過對(duì)缺陷的檢出率及長(zhǎng)度尺寸的定量討論，對(duì)比射線檢測(cè)與相控陣檢測(cè)技術(shù)之間的主要差異。

圖4 射線與相控陣缺陷檢出情況對(duì)比

3.1 缺陷的檢出率

圖4總結(jié)了所有焊接試塊中缺陷的檢測(cè)結(jié)果，分別給出了射線檢出缺陷、相控陣檢出缺陷以及焊接試板中各缺陷的數(shù)量。通過檢測(cè)結(jié)果可看出:兩種方法檢測(cè)能力的分界線主要是面積型缺陷，其中裂紋、未熔合是射線檢測(cè)較為典型的漏檢缺陷。從圖4還可看出，相控陣可以檢測(cè)出所有缺陷，射線檢測(cè)漏掉了25個(gè)缺陷中的3個(gè)面積型缺陷。對(duì)于面積型缺陷，相控陣檢測(cè)的平均信噪比為30.5 dB，體積型缺陷的平均信噪比為24.8 dB，這樣可看出，相控陣檢測(cè)任何種類缺陷時(shí)，缺陷信號(hào)都可以從背景噪聲中分辨出來。

為了說明相控陣技術(shù)與射線檢測(cè)技術(shù)在面積型缺陷檢測(cè)能力方面的差異，選擇部分試塊數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。PA-02試板上設(shè)計(jì)制造了3個(gè)缺陷，缺陷尺寸及分布如圖5所示。

圖5 模擬試塊缺陷分布及尺寸示意

對(duì)PA-02模擬試塊進(jìn)行射線檢測(cè)，3個(gè)缺陷的射線底片如圖6所示，其中氣孔缺陷為φ3 mm,條渣長(zhǎng)度為30 mm。

圖6 PA-02試塊缺陷的射線檢測(cè)結(jié)果

對(duì)PA-02試塊進(jìn)行相控陣檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)采用單側(cè)雙面的掃查方式，檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖7 PA-02試塊缺陷的相控陣檢測(cè)結(jié)果

為了確定2號(hào)位置是否是裂紋缺陷，對(duì)試塊進(jìn)行解剖驗(yàn)證，解剖結(jié)果如圖8所示。

圖8 PA-02試塊2號(hào)位置的裂紋缺陷解剖圖

3.2 缺陷長(zhǎng)度測(cè)定

按照ASME相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，缺陷的長(zhǎng)度和波幅是基于制造階段缺陷驗(yàn)收的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。由于相控陣技術(shù)采用成像的方式，其缺陷的長(zhǎng)度取決于反射體波幅的大小;而射線檢測(cè)是以缺陷與周圍母材之間的對(duì)比度差異為基礎(chǔ)，直接反映缺陷實(shí)際尺寸的檢測(cè)方法，但是對(duì)比度較差的區(qū)域，在底片上反映不出實(shí)際缺陷的存在，導(dǎo)致了射線所測(cè)得的缺陷長(zhǎng)度比其實(shí)際長(zhǎng)度偏小。

對(duì)于超聲檢測(cè)，不同方向檢測(cè)出缺陷的波幅高低不同，最終在相控陣成像影像上測(cè)量的缺陷長(zhǎng)度也不同，尤其體積型缺陷與面積型缺陷的差異更大。因此，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)，驗(yàn)證相控陣檢測(cè)利用缺陷成像進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量的最佳方式。文中相控陣檢測(cè)采用ASME標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的-14 dB的方式對(duì)缺陷進(jìn)行測(cè)長(zhǎng)，主要選擇具有代表性的缺陷進(jìn)行分析，僅對(duì)8塊焊接試板中的條形缺陷(除橫向裂紋以外)進(jìn)行分析，最終測(cè)長(zhǎng)對(duì)比數(shù)據(jù)詳見圖9。

圖9 缺陷檢測(cè)長(zhǎng)度對(duì)比

通過圖9可看出,對(duì)于體積型缺陷，二種方法對(duì)缺陷長(zhǎng)度測(cè)量的差異很小，但是對(duì)于面積型未熔合缺陷，射線檢測(cè)所測(cè)長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際設(shè)計(jì)和相控

陣檢測(cè)的缺陷長(zhǎng)度。這主要是因?yàn)槲慈酆先毕菥哂蟹较蛐?，使得最終底片對(duì)比度較差而無法顯示。相控陣檢測(cè)出的缺陷長(zhǎng)度整體與設(shè)計(jì)長(zhǎng)度差異不大，數(shù)據(jù)滿足試驗(yàn)要求。

4 結(jié)論

(1) 相控陣檢測(cè)技術(shù)無論是在缺陷檢出率還是缺陷的測(cè)長(zhǎng)方面都優(yōu)于常規(guī)射線檢測(cè)技術(shù)。而且，射線檢測(cè)對(duì)面積型缺陷，例如未熔合、裂紋等會(huì)產(chǎn)生漏檢。而面積型缺陷很容易擴(kuò)展，易導(dǎo)致整個(gè)焊縫泄漏，給核電設(shè)備安全殼的防御功能造成很大影響。

(2) 相控陣檢測(cè)技術(shù)不僅能夠準(zhǔn)確測(cè)量出缺陷在焊縫中的深度，還能夠通過模擬焊縫實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸成像的方式來提高對(duì)缺陷性質(zhì)的判別。

(3) 相控陣檢測(cè)無需輻射防護(hù)成本，對(duì)身體沒有危害，不需要交叉作業(yè)，這樣可縮短工程周期，提高工作效率。另外，射線檢測(cè)所用耗材(底片、處理液、鉛薄)較多，而相控陣檢測(cè)則在此方面具有優(yōu)勢(shì)，降低了工程成本。

(4) 通過選擇合適的設(shè)備及檢測(cè)工藝參數(shù)，采用相控陣檢測(cè)技術(shù)代替常規(guī)射線檢測(cè)技術(shù)，對(duì)鋼制安全殼對(duì)接焊縫進(jìn)行檢測(cè)是可行的。

[1] 鄭暉，林樹青.超聲檢測(cè)[M].北京:中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社,2008:20-50.

[2] 施克仁,郭寓岷.相控陣超聲成像檢測(cè)[M].北京:高等教育出版社,2010:15-25.

[3] MICHAEL D, MOLES C. Introduction to phased array ultrasonic technology application[M]. USA: Olympus NDT, 2004.

[4] ASME V 2010 Boiler & pressure vessel code[S].

[5] MORAN T L, RAMUHALLI P, PARDINI A F, et al. Replacement of radiography with ultrasonic for the nondestructive inspection of welds-evaluation of technical gaps - an interim report[C]∥Washington: Pacific Northwest National Laboratory,2010.

[6] 趙曉鑫,王伏喜,鄂楠,等. 相控陣檢測(cè)與射線檢測(cè)的缺陷識(shí)別對(duì)比[J]. 無損檢測(cè), 2016, 38(1): 41-44.

[7] 李衍.管道環(huán)縫相控陣超聲探傷技術(shù)的應(yīng)用[J].無損檢測(cè),2002,24(9):386-390.

[8] 鐘德煌，鄭攀忠. 便攜式相控陣儀在焊縫超聲檢測(cè)中的應(yīng)用[J].無損檢測(cè),2009,31(3):233-235.

Feasibility on the Use of Phased Array Inspection as a Replacement of Radiographic Inspection for Butt Welding of Steel Containment Vessel of Nuclear Power Equipment

LIU En-kai, MA Zhan-yun, WANG Zhong-xu, MA Zhong-li, YANG Zhong-wei

(Shandong Nuclear Power Equipment Manufacturing Company, Haiyang 265118, China)

Nuclear power equipment-steel containment vessel as a nuclear reactor radiation protection of one of the three barriers, plays a crucial role on the safety of nuclear power. Steel containment vessel of the butt weld generally requires for 100% the radiographic testing, but radiographic testing has a certain undetected rate, especially the detection rate for planar type defects (cracks, incomplete fusion) is low, and with the increase of thickness, the undetected rate of X-ray testing also increases. Through simulating a certain number of defects on the block to verify the detection between PAUT and RT, we make a conclusion that the PAUT for testing the butt weld of steel containment vessel is feasible, which may provide a reliable, efficient and economic testing method for weld quality.

Steel containment vessel; Radiographic testing; Phased array technique

2016-06-21

劉恩凱(1988-)，本科，主要從事AP1000核電設(shè)備無損檢測(cè)工作及新技術(shù)應(yīng)用研究。

劉恩凱， E-mail:352847097@qq.com。

10.11973/wsjc201704015

TG115.28

A

1000-6656(2017)04-0072-04